基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器的制作方法

本发明属于新概念航行器设计及制造技术领域，尤其涉及一种基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器。

背景技术：

2008年，美国国防先进技术研究局(darpa)着手研发一种既能够在空中飞行，又能够在水面和水下航行的新概念飞行器——“潜水飞机”，专门用于突袭敌方海岸的特种作战行动，潜水飞机是一类能够在空中、水面和水下运行的复用型全栖飞行器。2010年7月，据英国《每日电讯报》报道，五角大楼准备制造“飞行潜艇”，它可以像潜艇一样在水下航行，又能跃出海面，像飞机一样飞行，该项目计划正处于方案设计阶段。

目前尚不存在可支撑水空两用航行器的成熟技术，也无成功的水空两用航行器试飞试验。现有的一些航行器已可实现在两种介质中单次跨越航行，如空投鱼雷、舰射反潜导弹、潜射导弹、潜射无人机等。这些可单次跨越水空介质的航行器在功能上均只能实现一次跨越能力，在使用技术上均需要运载器或减速器等辅助设备，这些设备在跨越之后被抛弃，这也是制约其不能多次跨越的关键因素。

空中飞行器与水下航行器的外形存在明显差异的根源在于水和空气两种流体介质物性的巨大差异：密度相差800倍，动力粘性系数相差60倍。常规水下航行器一般设计为流线型回转外形，如鱼雷型、水滴型、低阻力层流型，除水下滑翔机外，都没有设计升力部件——机翼/弹翼，而它对于空中巡航飞行却必不可少。飞行器一旦进入水下，以巡航导弹为例，其速度达到空中巡航速度的1/28时就会产生与空中近似大小的升力，其值等于重力。由于水的动力粘性系数比空气大得多，因此水下的摩擦阻力比空中要大得多。假设导弹平均密度接近于水，则还会在铅垂反方向会产生一个重力大小的正浮力。导弹要在水下水平运动就必须保持一个较大的负攻角姿态，这又会在弹轴方向引起更大的诱导阻力。这些趋势都是随着水下速度的提高而呈平方关系扩大的。可见，对于水下航行，飞行器的弹翼不仅产生较大的多余不需要的大的正向升力，还产生远大于空中的阻力。鉴于巡航导弹和鱼雷的主体差异不大，尾部操纵面对升、阻力影响又很小，因此，水空两用跨越航行器外形设计要解决的核心问题就是确定弹翼的几何形状和弹翼进入水下后的“消失”的方式。

实用

技术实现要素：

本发明提供一种基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器，旨在解决现有的一些航行器不适合同时在两种介质中航行，只能够进行单次穿越介质，并且均需要运载器或减速器作为辅助设备，不具备多次界面跨越能力和在多个介质中的持续航行能力的问题。

本发明的基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器，该航行器包括：变体机构舱、展开-折叠系统、共形半环翼、动力装置、升降舵、转向舵、锂电池组、遥控接收器及遥控器：

变体机构舱，其为航行器主体部分，具有巡航导弹形状；

展开-折叠系统，其位于变体机构舱中间内部，由伺服控制器、功率变换器、伺服电机、减速器和同步锁定机构等组成，对共形半环翼进行控制，其输出的驱动力作用于共形半环翼的下层弹翼；

共形半环翼，其位于变体机构舱中间外部，由上、下两层弹翼顶端相接构成，与变体机构舱活动连接，在空中飞行时，其展开成机翼形状，在水中航行时，弹翼环包弹体，与弹体完全融合；

动力装置，其位于变体机构舱的后方，有空中和水下两种工作模式，可满足水下、空中以及跨越过程中的不同动力需求；

升降舵和转向舵，其位于变体机构舱的后方，采用常规的“+”构型，避免弧形尾翼的横向耦合效应；

遥控接收器，其位于主体结构内，用于与遥控器进行无线通讯；

锂电池组，其位于变体机构舱内，为航行器的展开-折叠系统、升降舵和转向舵提供动力；

展开-折叠系统、升降舵和转向舵分别与遥控接收器的一个输出通道通过电机相连，以控制其动作；

航行器设计密度大于水。

如上所述的航行器的使用方法为：

准备入水前，航行器逐步减小动力装置推力，动升力迅速下降，降低速度以减少撞击损害，航行器高度下降；同时，收起半环翼，在触水后关闭空中工作模式，依靠自身重力没入水面，待其完全进入水中后，调整姿态、航向后，开启水下工作模式，进入潜航状态；

准备出水前，航行器在水中调节航行姿态，使头部高于尾部，然后加大动力装置推力，加速上升；此时，航行器的半环翼仍处于收起状态，以减小航行器的水中航行阻力；接近水面时，关闭动力装置水下工作模式，依靠惯性冲出水面；待航行器完全离开水面后，迅速开启动力装置空中工作模式，调整航行姿态，半环翼迅速打开，为航行器提供动升力，迅速爬升到弹道顶点；调整航行姿态和动力，进入空中巡航。

本发明基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器具备多次界面跨越能力和在多个介质中的持续航行能力，具有不需要辅助设备和可重复使用的优点，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1是本发明基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器的结构示意图；

图2是本发明基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器的工作原理结构框图；

图3是本发明航行器水下构型的结构示意图；

图4是本发明航行器的共形半环翼的结构示意图；

图5是本发明航行器展开-折叠系统工作原理结构框图；

图6是本发明航行器的典型任务剖面图；

附图标记：1、变体机构舱；2、展开-折叠系统；3、升降舵和转向舵；4、动力装置；5、遥控接收器；6、遥控器；7、共形半环翼；8、锂电池组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

本发明基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器包括：

变体机构舱1、展开-折叠系统2、升降舵和转向舵3、动力装置4、遥控接收器5、遥控器6、共形半环翼7和锂电池组8。

变体机构舱1为常规航行器的主体结构形状，大致为长圆柱体形状，前端为适于减少空气阻力的尖拱体形状；变体机构舱1的中间位置(内部)安装有展开-折叠系统2；变体机构舱1的后方外部安装有成“+”构型的常规形状的升降舵和转向舵3，以避免弧形尾翼的横向耦合效应；变体机构舱1的后方(内部)安装有动力装置4，为新型水空两用发动机，用于为航行器提供动力；遥控接收器5安装在变体机构舱1下方适当位置，便于遥控接收器5与遥控器6进行无线通讯，展开-折叠系统2、升降舵和转向舵3及动力装置4与遥控接收器5电连接；共形半环翼7位于变体机构舱1的大致中部，包括闭合和展开两种形状，其形状如后详述，展开-折叠系统2通过对共形半环翼7的控制完成航行器的变体过程；锂电池组8安装在共形半环翼7的后端舱内，为航行器的展开-折叠系统2、升降舵和转向舵3以及遥控接收器5提供能源。

在本发明中，各部分的具体功能如下：

1)变体机构舱1、共形半环翼7为航行器的结构主体，变体机构舱1、共形半环翼7的设计是实现航行器在不同介质航行的架构基础；

2)展开-折叠系统2由伺服控制器、功率变换器、伺服电机、减速器和同步锁定机构等组成，伺服控制器输出脉冲宽度调制(pwm)信号，该信号经功率变换器调节放大后驱动伺服电机运转，伺服电机带动减速器转动，减速器内部由多级齿轮构成，如本领域技术人员所知，经过多级齿轮的作用将伺服电机的高速转动转变成适于共形半环翼7的下层弹翼动作的高负载转动驱动下层弹翼，在下层弹翼到达指定位置后，由同步锁定机构对共形半环翼7进行锁止；

3)升降舵和转向舵3用于控制航行器的航行姿态；

4)动力装置4有空中和水下两种工作模式，通过遥控接收器5进行控制，使其能够满足水下、空中以及跨越过程中的不同动力需求；

5)遥控器6用于操控师控制航行器的飞行、潜航和跨越等动作及姿态。

6)共形半环翼7，其位于变体机构舱中间外部，由上、下两层弹翼端部相接构成，与变体机构舱活动连接，在空中飞行时，弹翼展开成机翼形状，其形状易于产生升力，为本领域技术人员熟知。在水中航行时，弹翼收回，环包弹体，与弹体完全贴合，如后详述。

7)锂电池组8为整个系统提供能源。

图2示出了本发明实施例提供的基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器工作原理图。当遥控接收器5接收到遥控器6发出的指令之后，可分别对展开-折叠系统2、动力装置4以及升降舵和转向舵3下达指令，分别达到调整共形半环翼7形状、输出动力和航行姿态的目的；展开-折叠系统2、升降舵和转向舵3的能源均由锂电池组8提供。

如图3(a)所示，航行器在变体机构舱1外表面设计了开放式储翼槽，以放置处于水下构型时闭合状态的共形半环翼7；如图3(b)所示，储翼槽内部曲面与弹翼下侧曲面一致，可使弹翼与弹体完全贴合，不出现缝隙、凹槽、空腔等显著增大水动阻力的结构。

如图4所示，在本发明中，共形半环翼7位于弹体中部外表面，由上下两层半环翼组成，上、下层弹翼分别为向下弯曲的弧形，上层弹翼曲率较小，下层弹翼曲率较大，上、下层弹翼一端均与弹体固定连接，两个上层弹翼与弹体的连接部位于弹体上端面，这两个连接部可以紧邻，也可以分开，图中示出了紧邻的情形；两个下层弹翼与弹体的连接部分别位于弹体左、右侧端面；上、下层弹翼外侧分别相连；而如果展开为平面，上、下两层弹翼均为矩形形状。上层弹翼较大，收起时完全包裹弹体；下层弹翼较小，收起时仅包裹弹体下半部分；展开时，上下两层弹翼在弹体纵剖面顶端相连接，可有效减小弹翼在多次展开-收拢过程中的结构形变。展开时，上层弹翼在翼展长度不发生改变的情况下，其曲率需要发生小尺度的连续变化，故上层弹翼使用具有可变形能力的智能材料，下层弹翼采用刚性结构。

如图5所示，展开-折叠系统2在通过遥控接收器5接收到指令后，通过伺服控制器和功率变换器启动伺服电机，伺服电机产生的驱动力在经过减速器后作用于共形半环翼7的下层弹翼，下层弹翼展开带动上层弹翼也展开；当弹翼展开到一定程度，伺服控制器控制的同步锁定机构开始起作用，达到锁定共形半环翼7的作用，使其保持一定的展开状态。

如图6所示，在本发明实施例中，当航行器准备出水前，通过升降舵和转向舵3调整航行器在水中的姿态角度，使头部高于尾部，然后通过调整动力装置4提高动力输出功率，加速上升，共形半环翼7处于折叠状态，以减小水中航行的阻力。

出水时，动力装置4在航行器接触水面时停止水下工作模式，航行器依靠惯性冲出水面；待航行器完全离开水面后，动力装置4转换为空中工作模式，航行器形状从图3(a)改变成图1，共形半环翼7在展开-折叠系统2的控制下从闭合状态改变成展开状态，动力装置4提供航行时需要的升力，使航行器迅速爬升到弹道顶点；航行器调整航行姿态和动力，进入空中巡航。

入水时，航行器先调整动力装置4输出的动力，逐渐降低航行器的高度、减小飞行速度；达到一定高度后，关闭动力装置4空中动力模式，调整航行器姿态，并收起共性半环翼7，使动升力迅速下降，确保其以一定的姿态入水；待航行器完全进入水中后，动力装置4开启水下工作模式，通过升降舵和转向舵3调整姿态、航向进入水下稳定航行。

本发明基于共形半环翼的水空两用变体跨越航行器，提供了一种新颖的变体机构和展开-折叠系统，可为航行器提供两种不同的构型，以提高航行效率和速度。该航行器可平稳低速降落水面，也可高速突入，比较空投鱼雷依靠减速伞和缓冲帽等一次性设备，具有不需要辅助设备和可以重复使用的优点；在水下-空气跨越阶段，可自主实现跨越，比较潜射无人机和潜射导弹等只能单次穿越水空介质，解决了其无法依靠自身动力重复跨越水空介质的缺点。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。